CN115778434A - 讯号量测方法与都卜勒超音波系统 - Google Patents

讯号量测方法与都卜勒超音波系统 Download PDF

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CN115778434A CN202211535777.9A CN202211535777A CN115778434A CN 115778434 A CN115778434 A CN 115778434A CN 202211535777 A CN202211535777 A CN 202211535777A CN 115778434 A CN115778434 A CN 115778434A
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黄士益
郑淳铭
廖致霖
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Interface Optoelectronics Shenzhen Co Ltd
Interface Technology Chengdu Co Ltd
General Interface Solution Ltd
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Interface Optoelectronics Shenzhen Co Ltd
Interface Technology Chengdu Co Ltd
Yecheng Optoelectronics Wuxi Co Ltd
General Interface Solution Ltd
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Abstract

一种讯号量测方法被揭示。此讯号量测方法适用于都卜勒超音波系统。讯号量测包含以下步骤:依据预设流向切换第一载波频率;由第一级混波器依据第一载波频率频移输入讯号,以将输入讯号中的目标讯号移至低频,并产生第一频移讯号;由第一级滤波器滤除第一频移讯号的高频部分,以产生第一低频讯号,其中第一低频讯号包含目标讯号;由第二级混波器以及第二级滤波器去除第一低频讯号中的噪声,以产生第二低频讯号;以及将第二低频讯号输入至数位讯号处理器,以分析输入讯号的目标讯号的流速。本案的实施方式在可选择正逆流讯号的同时又可应用在携带式电子产品中。

Description

讯号量测方法与都卜勒超音波系统
技术领域
本揭露是有关于一种讯号量测方法与都卜勒超音波系统,特别是一种分离正逆流讯号的讯号量测方法与都卜勒超音波系统。
背景技术
以都卜勒超音波系统量测血液流速时,血液的流动方向可分为远离(以下称正流)与接近(以下称逆流)超音波发射源两种。血液流速方向远离(正流)时,其反射超音波频率比发射的频率低,反之,血液流速方向为接近(逆流)时,则反射频率较高。由于超音波讯号频率高取样不易,故使用混波器以发射频率为载波进行降频再取样。然而,混波器输出讯号频谱无法直接判断输入讯号频率是大于或小于载波频率,需用额外的方式来判断。
目前常用的方法有:带滤波法、平移载波解调法、同相/正交解调法。然而,上述方法须使用庞大的电路且取样率较高,皆不适合使用在基于蓝芽传输的携带式电子产品。携带式电子产品的硬件规格受到尺寸小、驱动电压小、要求耗电量小等限制,无法使用庞大的电路。而以蓝芽传输实时信息的装置,因受到蓝芽传输吞吐量的限制,过高的取样率会发生掉资料使讯号失真。
故,一种在可选择正逆流讯号的同时又可应用在携带式电子产品的讯号量测方法与都卜勒超音波系统被提出,以解决上述问题。
发明内容
本揭示之一些实施方式是关于一种讯号量测方法,适用于都卜勒超音波系统。讯号量测包含以下步骤:依据预设流向切换第一载波频率;由第一级混波器依据第一载波频率频移输入讯号,以将输入讯号中的目标讯号移至低频,并产生第一频移讯号;由第一级滤波器滤除第一频移讯号的高频部分,以产生第一低频讯号,其中第一低频讯号包含目标讯号;由第二级混波器以及第二级滤波器去除第一低频讯号中的杂讯,以产生第二低频讯号;以及将第二低频讯号输入至数位讯号处理器,以分析输入讯号的目标讯号的流速。
于部分实施方式中,更包含:当该预设流向为正流时,该第一载波频率为一超音波发射频率减去一最大变化频率;以及当该预设流向为逆流时,该第一载波频率为该超音波发射频率加上该最大变化频率。
于部分实施方式中,更包含:当该预设流向为正流时,该第一级混波器依据该第一载波频率将该输入讯号中的一正流讯号移至低频,并将该输入讯号中的一逆流讯号移至高频;以及当该预设流向为逆流时,该第一级混波器依据该第一载波频率将该输入讯号中的该逆流讯号移至低频,并将该输入讯号中的该正流讯号移至高频。
于部分实施方式中,其中该第一级滤波器的一第一截止频率为该最大变化频率。
于部分实施方式中,其中该第二级混波器的一第二载波频率为该最大变化频率。
本揭示之一些实施方式是关于一种都卜勒超音波系统,包含类比讯号处理器和数位讯号处理器。类比讯号处理器包含第一级混波器、第一级滤波器、第二级混波器以及第二级滤波器。第一级混波器用以依据第一载波频率频移输入讯号,以将输入讯号中的目标讯号移至低频,并产生第一频移讯号。第一载波频率系依据预设流向切换。第一级滤波器耦接于第一级混波器,用以滤除第一频移讯号的高频部分,以产生第一低频讯号,其中第一低频讯号包含目标讯号。第二级混波器以及第二级滤波器耦接于第一级滤波器,用以去除第一低频讯号中的杂讯,以产生第二低频讯号。数位讯号处理器耦接于类比讯号处理器,用以依据第二低频讯号分析输入讯号的目标讯号的流速。
于部分实施方式中,其中当该预设流向为正流时,该第一载波频率为一超音波发射频率减去一最大变化频率,而当该预设流向为逆流时,该第一载波频率为该超音波发射频率加上该最大变化频率。
于部分实施方式中,其中当该预设流向为正流时,该第一级混波器更用以依据该第一载波频率将该输入讯号中的一正流讯号移至低频,并将该输入讯号中的一逆流讯号移至高频,而当该预设流向为逆流时,该第一级混波器更用以依据该第一载波频率将该输入讯号中的该逆流讯号移至低频,并将该输入讯号中的该正流讯号移至高频。
于部分实施方式中,其中该第一级滤波器的一第一截止频率为该最大变化频率。
于部分实施方式中,其中该第二级混波器的一第二载波频率为该最大变化频率。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂,下文特举实施例,并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
为让本揭示之上述和其他目的、特征、优点与实施例能够更明显易懂,所附附图之说明如下:
图1为根据本发明一些实施例所绘示的都卜勒超音波系统的示意图;
图2为根据本发明一些实施例所绘示的讯号量测方法的流程图;
图3为根据本发明一些实施例所绘示的输入讯号的示意图;
图4为根据本发明一些实施例所绘示的图1中的频移讯号的其中一种实施例的示意图;
图5为根据本发明一些实施例所绘示的图1中的频移讯号的另一种实施例的示意图;
图6为根据本发明一些实施例所绘示的图1中的低频讯号的其中一种实施例的示意图;以及
图7为根据本发明一些实施例所绘示的图1中的低频讯号的另一种实施例的示意图。
附图标记为:
100:都卜勒超音波系统
110:类比讯号处理器
130:数位讯号处理器
150:超音波接收器
170:类比数位转换器
190:显示与操作界面
112:第一级混波器
114:第一级滤波器
116:第二级混波器
118:第二级滤波器
119:载波频率切换电路
132:都卜勒讯号频域分析电路
134:流速计算电路
200:讯号量测方法
S210,S230,S250,S270,S290:步骤
S0:输入讯号
S1:频移讯号
S2:低频讯号
S3:频移讯号
S4:低频讯号
S5:数位讯号
A:振幅
f:频率
Wc:频率
Wm:频率
S1A,S1B:频移讯号
S2A,S2B:低频讯号
具体实施方式
在本文中所使用的用词『耦接』亦可指『电性耦接』,且用词『连接』亦可指『电性连接』。『耦接』及『连接』亦可指二个或多个元件相互配合或相互互动。
请参阅图1。图1为根据本发明一些实施例所绘示的都卜勒超音波系统100的示意图。
如图1所绘示,都卜勒超音波系统100包含类比讯号处理器110和数位讯号处理器130。数位讯号处理器130耦接于类比讯号处理器110。
如图1所绘示,类比讯号处理器110包含第一级混波器112、第一级滤波器114、第二级混波器116和第二级滤波器118。在连接关系上,第一级混波器112和第一级滤波器114相耦接,第一级滤波器114和第二级混波器116相耦接,而第二级混波器116和第二级滤波器118相耦接。
于部分实施例中,类比讯号处理器110更包含载波频率切换电路119。载波频率切换电路119耦接于第一级混波器112。
于部分实施例中,都卜勒超音波系统100更包含超音波接收器150,耦接于类比讯号处理器110,并用以接收超音波讯号。
于部分实施例中,都卜勒超音波系统100更包含类比数位转换器170,耦接于类比讯号处理器110与数位讯号处理器130之间,用以将类比讯号转换为数位讯号。
于部分实施例中,都卜勒超音波系统100更包含显示与操作界面190,耦接于类比讯号处理器110与数位讯号处理器130。
请参阅图2。图2为根据本发明一些实施例所绘示的讯号量测方法200的流程图。讯号量测方法200可由图1中的都卜勒超音波系统100执行。讯号量测方法200包含步骤S210至S290。
在步骤S210中,依据预设流向切换第一载波频率。请一并参阅图1。于部分实施例中,步骤S210系由载波频率切换电路119执行。
于部分实施例中,当预设流向为正流时,第一载波频率为超音波发射频率减去最大变化频率。另一方面,当预设流向为逆流时,第一载波频率为超音波发射频率加上最大变化频率。于部分实施例中,最大变化频率系为人体最高血液流速反射的都卜勒超音波相对于超音波发射频率的最大频率变化。
举例而言,假设超音波发射频率系为频率Wc,最大变化频率系为频率Wm。当最大变化频率接收到的预设流向系为正流时,载波频率切换电路119将第一载波频率切换为频率Wc-Wm。另一方面,当最大变化频率接收到的预设流向系为逆流时,载波频率切换电路119将第一载波频率切换为频率Wc+Wm。
于步骤S230中,由第一级混波器依据第一载波频率频移输入讯号,以将输入讯号中的目标讯号移至低频,并产生第一频移讯号。于部分实施例中,步骤S230系由图1中的第一级混波器112执行。
当预设流向为正流时,正流讯号即为目标讯号。而当预设流向为逆流时,逆流讯号即为目标讯号。
于部分实施例中,在步骤S230,当预设流向为正流时,第一级混波器112依据第一载波频率将输入讯号S0中的正流讯号移至低频,并将输入讯号S0中的逆流讯号移至高频,以产生频移讯号S1。另一方面,当预设流向为逆流时,第一级混波器112依据第一载波频率将输入讯号S0中的逆流讯号移至低频,并将输入讯号S0中的正流讯号移至高频以产生频移讯号S1。
举例而言,于部分实施例中,在步骤S230,当预设流向为正流时,第一级混波器112依据载波频率Wc-Wm将输入讯号S0中的正流讯号移至低频,并将输入讯号S0中的逆流讯号移至高频。另一方面,当预设流向为逆流时,第一级混波器112依据载波频率Wc+Wm将输入讯号S0中的逆流讯号移至低频,并将输入讯号S0中的正流讯号移至高频。
请一并参阅图3。图3为根据本发明一些实施例所绘示的输入讯号S0的示意图。如图3所绘示,超音波发射频率系为频率Wc。在超音波发射频率Wc的左边包含远离探头的正流讯号,而在超音波发射频率Wc的右边包含流向探头的逆流讯号。
请一并参阅图4。图4为根据本发明一些实施例所绘示的图1中的频移讯号S1的其中一种实施例S1A的示意图。如图4所绘示的频移讯号S1A系为预设流向为正流时,第一级混波器112依据载波频率Wc-Wm将图3中的输入讯号S0进行频移所产生的频移讯号S1A。
如图4所绘示,在频移讯号S1A中,以频率Wm为中心,在频率Wm的左边包含远离探头的正流讯号,而在频率Wm的右边包含流向探头的逆流讯号。需注意的是,在频移讯号S1A中,更包含以频率2Wc-Wm为中心的正流讯号与逆流讯号。由于以频率2Wc-Wm为中心的正流讯号与逆流讯号将在后续步骤中被滤除,在此不绘示。
请一并参阅图5。图5为根据本发明一些实施例所绘示的图1中的频移讯号S1的另一种实施例S1B的示意图。如图5所绘示的频移讯号S1B系为预设流向为逆流时,第一级混波器112依据载波频率Wc+Wm将图3中的输入讯号S0进行频移所产生的频移讯号S1B。
如图5所绘示,在频移讯号S1B中,以频率-Wm为中心,在频率-Wm的左边包含远离探头的正流讯号,而在频率-Wm的右边包含流向探头的逆流讯号。由于频移后产生的讯号包含负频率的讯号,负频率的讯号再经由以0Hz的频率为基准映射到正频率,以量测工具即可量测到如图5的方框处的频谱。即,以频率Wm为中心,在频率Wm的右边包含远离探头的正流讯号,而在频率Wm的左边包含流向探头的逆流讯号。
需注意的是,在频移讯号S1B中,更包含以频率2Wc+Wm为中心的正流讯号与逆流讯号。由于以频率2Wc+Wm为中心的正流讯号与逆流讯号将在后续步骤中被滤除,在此不绘示。
请回头参阅图2。在步骤S250中,由第一级滤波器滤除第一频移讯号的高频部分,以产生第一低频讯号。第一低频讯号包含目标讯号。请一并参阅图1。于部分实施例中,步骤S250系由图1中的第一级滤波器114所执行。于部分实施例中,第一级滤波器114系为低通滤波器。第一级滤波器114滤除频移讯号S1中的高频部分,以产生低频讯号S2。
于部分实施例中,第一级滤波器114的截止频率为最大变化频率Wm。
请一并参阅图6。图6为根据本发明一些实施例所绘示的图1中的低频讯号S2的其中一种实施例S2A的示意图。图6中的低频讯号S2A系依据图4中的频移讯号S1A所产生的低频讯号。
请一并参阅图4和图6。于部分实施例中,图1中的第一级滤波器114将4图中的频移讯号S1A中大于频率Wm的高频部分滤除后,所产生的低频讯号S2A如图6所绘示,仅剩下低于频率Wm的低频部分。低于频率Wm的低频部分系为远离探头的正流讯号,即为预设流向为正流时的目标讯号。
请一并参阅图7。图7为根据本发明一些实施例所绘示的图1中的低频讯号S2的另一种实施例S2B的示意图。图7中的低频讯号S2B系依据图5中的频移讯号S1B所产生的低频讯号。
请一并参阅图5和图7。于部分实施例中,图1中的第一级滤波器114将图5中的频移讯号S1B中大于频率Wm的高频部分滤除后,所产生的低频讯号S2B如图6所绘示,仅剩下低于频率Wm的低频部分。低于频率Wm的低频部分系为流向探头的逆流讯号,即为预设流向为逆流时的目标讯号。
如此,通过如上所述步骤S210至步骤S250的操作,依据预设流向切换混波器的载波频率,再通过低通滤波器将高频部分滤除,可有效地将逆流讯号与正流讯号分开,仅保留目标讯号。
于部分实施例中,在正流讯号和逆流讯号之间的交界频宽处包含环境的低频讯号,这些低频讯号的强度大多比超音波讯号墙上许多。举例而言,在以超音波测量血管流速时,会有来自肌肉或血管壁脉动等低频振动讯号。这些讯号的强度比血流讯号强数百倍。因此,第一级滤波器114设计为高阶低通滤波器,以滤掉正流讯号和逆流讯号之间的交界频宽处的低频讯号。如上所述的低频讯号系为0至200Hz的非流速讯号。
于部分实施例中,第一级滤波器114设计为12阶以上的高阶低通滤波器。
于部分实施例中,由于0至200Hz的非流速讯号系为较强的讯号,需通过第一级滤波器114将非流速讯号衰减10倍(约-20dB),才不会盖过待测的超音波的讯号。
请回头参阅图2。于步骤S270中,由第二级混波器以及第二级滤波器去除第一低频讯号中的杂讯,以产生第二低频讯号。请一并参阅图1,于部分实施例中,步骤S270系由第二级混波器116和第二级滤波器118执行。
于部分实施例中,第二级混波器116的第二载波频率为最大变化频率Wm。
请一并参阅图3。以超音波发射频率Wc为中心,讯号频率比超音波发射频率Wc快越多代表流向探头的速度越快,而讯号频率比超音波发射频率Wc慢越多代表远离探头的速度越快。在第一级混波器112对输入讯号S0进行移频(降频)操作之后,在图3的输入讯号S0中原本流速为0时的频率(即为频率Wc),在图4的频移讯号S1A和图5的频移讯号S1B中尉变成频率Wm。在第一级滤波器114滤除频率Wm以上的讯号之后,在图6的低频讯号S2A和图7的低频讯号S2B中,频率越低,流向探头或远离探头的速度越快。
经过图1中的第二级混波器116依据载波频率Wm频移第一低频讯号S2之后,经过降频处理,在产生的第二频移讯号S3中,频率为0时的流速为0,而频率越高时流速越高。此操作可降低类比数位转换器170的取样率,并可完整将讯号取样。
接着,图1中的第二级滤波器118将第二频移讯号S3中的环境高频杂讯(如数位讯号谐波、第二级混波器高频谐波等杂讯)滤除,以产生第二低频讯号S4。
请回头参阅图2。在步骤S290中,将第二低频讯号输入至数位讯号处理器,以分析输入讯号的目标讯号的流速。于部分实施例中,在步骤S290中,类比数位转换器170接收第二低频讯号S4后,产生数位讯号S5并传送至数位讯号处理器130以进行数位讯号处理分析与计算。
于部分实施例中,数位讯号处理器130包含都卜勒讯号频域分析电路132与流速计算电路134。都卜勒讯号频域分析电路132与流速计算电路134相耦接。都卜勒讯号频域分析电路132分析数位讯号S5,并由流速计算电路134计算流速。
于部分实施例中,在计算出流速后,数位讯号处理器130将计算出的目标讯号的流速传送至显示与操作界面190,以将流速显示于显示与操作界面190上供使用者查看。此外,使用者亦可通过显示与操作界面190选择预设流向。于部分实施例中,在使用者选择预设流向之后,显示与操作界面190更将预设流向传送至载波频率切换电路119,载波频率切换电路119再依据预设流向切换第一级混波器112的载波频率。
由于在第一低频讯号S2中仅剩下与预设流向相对应的目标讯号,因此在步骤S290中计算出的流速即为目标讯号的流速。
通过上述实施例的步骤,于本案的实施例中,提供一种讯号量测方法与都卜勒超音波系统,通过预设流向的设定切换载波频率,并由第一级混波器依据切换后的载波频率进行移频,再由第一级滤波器将移频讯号中的高频部分滤除,可仅保留目标讯号,以达到分离讯号的需求。此外,通过第二级混波器和第二级滤波器,将分离好的都卜勒讯号进行频移(降频),以将都卜勒讯号的频率范围降低。如此,可降低后续类比数位转换器转换频率的需求,并进而降低资料量。因此,本案的实施方式在可选择正逆流讯号的同时又可应用在携带式电子产品中。
于部分实施例中,类比讯号处理器110可为但不限于具有类比讯号处理功能或类似功能的处理器、电路或元件。于部分实施例中,数位讯号处理器130可为但不限于具有数位讯号处理功能或类似功能的处理器、电路或元件。于部分实施例中,超音波接收器150可为但不限于具有超音波讯号接收功能或类似功能的处理器、电路或元件。于部分实施例中,类比数位转换器170可为但不限于具有类比讯号转数位讯号功能或类似功能的处理器、电路或元件。于部分实施例中,显示与操作界面190可为但不限于具有显示讯号、接收讯息与传送讯息或类似功能的处理器、电路或元件。
各种功能性元件已于此公开。对于本技术领域具通常知识者而言,功能性元件可由电路(不论是专用电路,或是于一或多个处理器及编码指令控制下操作的通用电路)实现。
虽然本揭示已以实施方式揭露如上,然其并非用以限定本揭示,任何本领域具通常知识者,在不脱离本揭示之精神和范围内,当可作各种之更动与润饰,因此本揭示之保护范围当视后附之申请专利范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种讯号量测方法,其特征在于,适用于都卜勒超音波系统,所述讯号量测包含:
依据预设流向切换第一载波频率;
由第一级混波器依据所述第一载波频率频移输入讯号,以将所述输入讯号中的目标讯号移至低频,并产生第一频移讯号;
由第一级滤波器滤除所述第一频移讯号的高频部分,以产生第一低频讯号,其中所述第一低频讯号包含所述目标讯号;
由第二级混波器以及第二级滤波器去除所述第一低频讯号中的杂讯,以产生第二低频讯号;以及
将所述第二低频讯号输入至数位讯号处理器,以分析所述输入讯号的所述目标讯号的流速。
2.如权利要求1所述的讯号量测方法,其特征在于,更包含:
当所述预设流向为正流时,所述第一载波频率为超音波发射频率减去最大变化频率;以及
当所述预设流向为逆流时,所述第一载波频率为所述超音波发射频率加上所述最大变化频率。
3.如权利要求2所述的讯号量测方法,其特征在于,更包含:
当所述预设流向为正流时,所述第一级混波器依据所述第一载波频率将所述输入讯号中的正流讯号移至低频,并将所述输入讯号中的逆流讯号移至高频;以及
当所述预设流向为逆流时,所述第一级混波器依据所述第一载波频率将所述输入讯号中的所述逆流讯号移至低频,并将所述输入讯号中的所述正流讯号移至高频。
4.如权利要求2所述的讯号量测方法,其特征在于,其中所述第一级滤波器的第一截止频率为所述最大变化频率。
5.如权利要求2所述的讯号量测方法,其特征在于,其中所述第二级混波器的第二载波频率为所述最大变化频率。
6.一种都卜勒超音波系统,其特征在于,包含:
类比讯号处理器,包含:
第一级混波器,用以依据第一载波频率频移输入讯号,以将所述输入讯号中的目标讯号移至低频,并产生第一频移讯号,其中所述第一载波频率系依据预设流向切换;
第一级滤波器,耦接于所述第一级混波器,用以滤除所述第一频移讯号的高频部分,以产生第一低频讯号,其中所述第一低频讯号包含所述目标讯号;以及
第二级混波器以及第二级滤波器,耦接于所述第一级滤波器,用以去除所述第低频讯号中的杂讯,以产生第二低频讯号;以及
数位讯号处理器,耦接于所述类比讯号处理器,用以依据所述第二低频讯号分析所述输入讯号的所述目标讯号的流速。
7.如权利要求6所述的都卜勒超音波系统,其特征在于,其中当所述预设流向为正流时,所述第一载波频率为超音波发射频率减去最大变化频率,而当所述预设流向为逆流时,所述第一载波频率为所述超音波发射频率加上所述最大变化频率。
8.如权利要求7所述的都卜勒超音波系统,其特征在于,其中当所述预设流向为正流时,所述第一级混波器更用以依据所述第一载波频率将所述输入讯号中的正流讯号移至低频,并将所述输入讯号中的逆流讯号移至高频,而当所述预设流向为逆流时,所述第一级混波器更用以依据所述第一载波频率将所述输入讯号中的所述逆流讯号移至低频,并将所述输入讯号中的所述正流讯号移至高频。
9.如权利要求7所述的都卜勒超音波系统,其特征在于,其中所述第一级滤波器的第一截止频率为所述最大变化频率。
10.如权利要求7所述的都卜勒超音波系统,其特征在于,其中所述第二级混波器的第二载波频率为所述最大变化频率。
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